一种次/超同步振荡源的快速定位方法与流程

1.本发明属于电厂发电监控技术领域，涉及一种次/超同步振荡源的快速定位方法，具体地说，涉及一种高比例可再生能源电力系统中对发生次同步振荡的发电厂进行快速定位的方法。


背景技术：

2.我国的电力系统将逐步进入高比例可再生能源的时代。大量的随机、不稳定的功率注入电力系统，会引起系统的宽频振荡问题，影响系统的稳定运行。另外，电力电子变流器也广泛应用，在某些情况下会引起次同步振荡的发生。次同步振荡现象成为新能源并网系统中常见的一种问题，在世界各地的电网事故中也曾多次出现，造成了严重的损失。但是目前对次同步振荡的研究，多集中在分析振荡机理，分析方法与振荡抑制策略，对次同步振荡源定位的研究尚处于起步阶段，与之直接相关的文献较少，目前还没有行之有效的具体实施措施。。因此，对于振荡源快速准确得定位的进一步研究是十分重要的。
3.目前对sso扰动源进行定位的方法可分为基于模型的方法和基于量测数据的方法，其中基于模型的方法存在难以准确建模以及维数灾等问题而难以在线应用。而基于量测数据的定位方法具备在线应用的潜力。
4.目前，对基于量测数据的sso定位的研究已取得一定的研究基础和成果，有从能量、阻抗数据和次同步潮流的角度进行sso扰动源定位。而暂态能量流的方法都是以汽轮机组为核心展开的，尚未考虑风电并网等扰动源不明确、振荡机理不同的场景，因此还需进一步研究。通过测量电压与电流的次同步相量，基于次同步相量计算次同步潮流，并给出基于次同步潮流的判据，能够实现次同步控制作用机理扰动源的辨识。虽然基于量测数据的sso定位具有重要意义，但目前对其研究还不完善，如尚未考虑新能源场站内部振荡的耦合传播，尚未研究不同机理sso情形下判据的适用性等。


技术实现要素：

5.本发明针对传统基于量测数据的sso定位中存在的问题提出一种新型的次/超同步振荡源的快速定位方法。本发明所提出的方案是一种基于有功、无功流动方向和暂态能量流结合侧次同步振荡定位的算法。
6.为了达到上述目的，本发明是采用下述的技术方案实现的：
7.本发明公开了一种次/超同步振荡信号定位的方法，通过提取物联网系统中设备的母线电压和线路的各相电流，提取出次/超同步振荡信号，计算出次/超同步振荡的功率和暂态能量流，再通过功率和暂态能量流的方向判断出发生振荡的位置。
8.上述次/超同步振荡源的快速定位方法,步骤如下：
9.(1)提取次同步信号
10.采用fir滤波器消去高频噪声，然后利用幅值频率自适应sogi-fll提取次同步信号频率的估计值，自动追踪输入电压信号幅值最大的信号所对应的频率，根据次同步和超
同步之间的关系得到超同步振荡的频率；
11.(2)分析双馈风力发电系统的功率
12.定子端电压为：
[0013][0014]
其中，us表示定子电压的幅值，ω1表示同步角速度，表示定子电压信号的初相角，u
sub
表示次同步电压的幅值，ω
sub
表示次同步电压的角速度，表示次同步电压的初相角，u
sup
表示超同步电压的幅值，ω
sup
表示超同步电压的角速度，表示超同步电压的初相角；
[0015]
定子三相电流为：
[0016][0017]
其中，is、ω1、φ
si
依次是基波电流的幅值、基波角频率和初相角；i
sub
、ω
sub
、φ
sub
依次是次同步电流的幅值、角频率和初相角；i
sup
、ω
sup
、φ
sup
依次是超同步电流的幅值、角频率和初相角；
[0018]
电压公式和电流公式通过clack变换、park变换、恒幅值变换得到如下公式：
[0019][0020]
其中，i
sd
为定子电流在d轴的分量，i
sq
为定子电流在d轴的分量，φs为定子电流的初相角，i
sub
为次同步电流的幅值，i
sup
为超同步电流的幅值，φ
subui
为次同步电流的初相角，φ
supui
为超同步电流的初相角，i
sd0
为定子电流在d轴下的直流分量、i
sq0
为定子电流在q轴下的直流分量,i
sd_sub
为次同步电流在d轴下的交流分量,i
sq_sub
次同步电流在q轴下的交流分量,i
sd_sup
为超同步电流在d轴下的交流分量，i
sq_sup
为超同步电流在q轴下的交流分量；ω
1-ω
sub
为次同步频率，ω
1-ω
sup
为超同步频率；
[0021]
电网电压在d、q轴的坐标系为：
[0022]
φ
nuu
＝φ
us-φ
un
为次同步电流在d、q轴上的初相角；
[0023]
有功功率公式为：
[0024][0025]
无功功率公式为：
[0026][0027]
从上述的有功功率p和无功功率q公式中看出，其中含有直流分量，ω
1-ω
sub
的频率分量、ω
1-ω
sup
的频率分量与ω
sub-ω
sup
的频率分量；可以看出直流分量是由基频的电压电流信号和次同步的电压电流信号产生；通过上述的幅值频率自适应sogi-fll提取次同步振荡频率段的信号，得到次同步电压和电流信号，计算出有功功率和无功功率，通过功率流动的方向实现振荡源的定位。
[0028]
(3)基于暂态能量法进一步定位振荡源
[0029]
公式为：
[0030]
∫im(i
ij*
dui)＝∫im((i
ij,d-ji
ij,q
)(du
i,d
+jdu
i,q
))＝∫(i
ij,d
du
i,q-i
ij,q
du
i,d
)，
[0031]
∫re(i
ij*
dui)＝∫re((i
ij,d-ji
ij,q
)(du
i,d
+jdu
i,q
))＝∫(i
ij,d
du
i,d
+i
ij,q
du
i,q
)，
[0032]
判断方式为：
[0033]
系统中总的能量消耗大于能量产生，振荡逐渐衰减；
[0034]
能量消耗小于能量产生，振荡逐渐发散；
[0035]
能量消耗与能量产生相等时，为等幅振荡；
[0036]
通过暂态能量流方向的判断，得到振荡源位置。
[0037]
作为优选，步骤(1)中采用msogi结构。
[0038]
其中msogi的传递函数为：
[0039][0040][0041]
[0042][0043]
其中根据传递函数可以看出，采用msogi的结构可以同时提取出次同步和超同步频率，减少两者之间的相互影响。
[0044]
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
[0045]
1.实时提取次/超同步振荡信号，获取次/超同步实时功率，避免因时间延时导致获取数据误差，进而导致定位不准确。
[0046]
2.获取次/超同步有功、无功流动方向方法简易，避免了算法的复杂性，提高了定位的快速性。
[0047]
3.同时根据次/超同步有功与无功的流动方向判断振荡源，定位次同步有功振荡或次同步无功振荡更加精确。
附图说明
[0048]
图1为系统整体结构示意图。
[0049]
图2为fir滤波器的结构示意图。
[0050]
图3为自适应sogi-fll工作结构示意图。
[0051]
图4为msogi结构示意图。
[0052]
图5为sogi微分原理图。
[0053]
图6为单机振荡功率流定位示意图。
[0054]
图7为单机振荡暂态能量流定位示意图。
[0055]
图8为有功和无功功率的流动方向示意图。
[0056]
图9为暂态能量流1和暂态能量流2的流动方向示意图。
具体实施方式
[0057]
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0058]
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
[0059]
实施例1
[0060]
本实施例所提供的方法应用于风电系统中，系统示意整体图如图1所示，其中包括电网和发电厂原有电力系统所存在的原始电压和电流信号ⅰ，通过装在发电厂及电力系统中的电压和电流表测出，以及根据电压电流信号设置的次/超同步振荡信号提取单元ⅱ，安装在发电厂及各段线路当中，根据提取到的振荡信号得到次/超同步功率及暂态能量流单元计算单元ⅲ，最后通过振荡源方向判断单元ⅳ，得到振荡来源于哪个位置。其中，次同步振荡信息提取单元ⅱ运用fir+sogi_fll的方法，它可以准确的获得次/超同步振荡的实时幅值、相位、频率等信息。电力系统原始电压、电流信号，输送到次同步振荡监测系统获取次同步电压、电流信号，然后再输送到次/超同步功率及暂态能量流计算单元，获取次/超同步
功率和暂态能量流信号，最后输送到振荡源判定单元，根据输入的次/超同步有功、无功流动方向判断振荡源的位置。
[0061]
(1)次同步信号的提取，先利用fir滤波器，消去高频噪声环节。fir滤波器的结构如图2所示，它可以保证任意幅频特性的同时具有严格的线性相频特性。然后再利用幅值频率自适应sogi-fll提取次同步信号频率的估计值，自适应sogi-fll能够实现频率自适应，并且能够自动追踪输入信号中幅值最大的信号所对应的频率，其工作结构如图3所示。当已知次同步的频率，超同步的频率也相应求出，因此为有效的降低次同步与超同步之间的相互作用，采用如图4所示的msogi的结构。
[0062]
(2)振荡源定位首先是对双馈风力发电系统的功率分析。假设dfig的端电压为三相对称，次同步振荡中，电压信号的波动较小，而超同步分量相比于次同步分量本身含量较少，因此，在分析时，忽略电压中的超同步分量。则电压可以表示为:
[0063][0064]
三相电流可以表示为：
[0065][0066]
三相电流其中is、ω1、φ
si
是基波电流的幅值，基波角频率和初相角；i
sub
、ω
sub
、φ
sub
是次同步电流的幅值，角频率和初相角；i
sup
、ω
sup
、φ
sup
是超同步电流的幅值，角频率和初相角；
[0067]
以上公式通过clack变换和park变换，恒幅值变换得：
[0068][0069]
isd0、isq0、isd_sub、isq_sub、isd_sup、isq_sup为定子电流在d、q轴下的直流分量、次同步电流在d、q轴下的交流分量与超同步电流在d、q轴下的交流分量，次同步频率为ω
1-ω
sub
，超同步频率为ω
1-ω
sup
。
[0070]
电网电压在d、q轴坐标系下可以写为：
[0071]
[0072]
φ
nuu
＝φ
us-φ
un
为次同步电流在d、q轴上的初相角。
[0073]
通过上述推导出的电压与电流公式，有功功率可以表示为：
[0074][0075]
无功功率可以表示为：
[0076][0077]
无功功率从上述推导出的公式(5)、公式(6)有功与无功的表达式，可以看出有功与无功功率中含有直流分量，ω
1-ω
sub
的频率分量、ω
1-ω
sup
的频率分量与ω
sub-ω
sup
的分量；其中直流分量是由基频的电压和电流和次同步的电压和电流产生；我们可以通过提取出次同步电压电流产生的分量，通过判断其有功、无功的流动方向来进行振荡源的定位。
[0078]
其次是基于暂态能量法的振荡定位方式。在双馈风力发电机系统振荡过程中，能量从能量源产生后，流向网络中消耗能量的元件，在网络中形成振荡能量流，根据能量流即可定位能量源,即振荡源。如果系统中总的能量消耗大于能量产生，振荡逐渐衰减；而如果能量消耗小于能量产生，振荡逐渐发散；能量消耗与能量产生相等时，为等幅振荡。
[0079]
暂态能量流的表达式为：
[0080]
∫im(i
ij*
dui)＝∫im((i
ij,d-ji
ij,q
)(du
i,d
+jdu
i,q
))＝∫(i
ij,d
du
i,q-i
ij,q
du
i,d
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0081]
∫re(i
ij*
dui)＝∫re((i
ij,d-ji
ij,q
)(du
i,d
+jdu
i,q
))＝∫(i
ij,d
du
i,d
+i
ij,q
du
i,q
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0082]
如图5所示，利用sogi实现微分，得到各个部分的暂态能量。
[0083]
例如，当图6中a处发生振荡时，采用第一种方法，通过采集a、b、c、d四处的原始电压、电流信号，输送到次/超同步监测系统，获取实时的次/超同步电压、电流信号，然后输送到次/超同步功率计算单元，通过公式(5)和(6)获取次/超同步的功率信息，通过振荡源方向判定单元4得到a、b、c、d四处的有功、无功流动方向，如图6中a、b、c、d四处的流动方向所示。从图中的流动方向，可以得出振荡源能量由a处发出到b、c、d三处，a处为振荡源。采用第二种方法，当图7中a处发生振荡时，前两步跟前面一致，得到次/超同步电压、电流信号好，根据公式(7)和公式(8)得到暂态能量流信息，通过图7两种暂态能量流方向的判断，得到a处为振荡源。两种方法的结果一致，相互结合能精确的实现振荡源的定位。
[0084]
本实例还搭建了双馈风机的模型，其中包括双馈风机发电机，变压器，串补输电线路和电网，通过电压和电流传感器得到了原始的电压和电流信号，利用本发明的设计原理，仿真验证监测算法的合理性。
[0085]
结果如图8和图9所示，根据图8可知，根据无功功率和有功功率的流动方向可以判断出来，dfig1发生了次同步振荡问题，这和理论分析结果一致。
[0086]
根据图9可知，根据暂态能量流1和暂态能量流2的流动方向可以判断出来，dfig1发生了次同步振荡问题，这和理论分析结果一致。
[0087]
仿真结果表明，此次/超同步振荡定位的算法，可以准确的定位到次/超同步振荡发生的源头，为后面次同步振荡的抑制提供了基础。为风电场的稳定安全运行提供了保障。
[0088]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。